用铝箔球制作无线电波探测器！

# 用铝箔球制作无线电波探测器！ 来源：https://www.wired.com/story/build-a-radio-wave-detector-with-balls-of-aluminum-foil/ “无线电的黄金时代”据说在20世纪50年代随着电视的出现而结束了。但你猜怎么着？电视节目当时也是用无线电信号广播的。而今天呢？无线电无处不在。你的车里有个收音机，但你可能更愿意用手机听音乐。那么，音乐是如何传到你手机上的？没错，通过手机基站的无线电波。你的GPS也依赖无线电。同样，你家里的Wi-Fi和蓝牙也是如此。 无线电波是一种电磁辐射，就像可见光一样。但它们处于光谱的低端，因此对人体无害，因为低频意味着低能量。（高频、高能量的辐射，如X射线或伽马射线，就是另一回事了。）这也是无线电波非常适合无线通信的部分原因。它们还可以传播很远的距离，并穿过墙壁等障碍物。 所以无线电和以往一样重要。但你知道吗，你可以用一些简单的材料在家里轻松构建自己的无线电发射器和接收器？我将向你展示如何操作。这是一个有趣的项目，也是探索一些酷炫物理知识的好借口。 ## 什么是电磁波？ 说到这个，什么是波？想象一下，你有一根长绳子，一端系在门把手上。你站在房间的另一端，握着绳子的另一端。现在，如果你上下晃动你的手，你会在绳子上产生一个扰动，这个扰动会沿着绳子移动。*这就是*波。基本上，波传递能量而不传递物质。 如果你去掉绳子呢？那样的话，你看起来就像一个与想象中的朋友握手而孤独的人。没有绳子，就没有波。波需要一种“波动”的介质——它们需要介质。没有水，就不会有海浪。在太空中不会有声波，因为没有空气让它们传播。 但是，如果你不是用绳子，而是上下晃动一个电荷（比如一个电子）呢？电荷会产生电场，所以这个*移动的*电荷会产生一个振荡的电场，这就形成了一个电波。这里变得奇妙了：事实证明，变化的电场也会产生变化的*磁场*。反之亦然：变化的磁场会产生变化的电场。我们从麦克斯韦方程组（https://www.wired.com/story/get-to-know-maxwells-equationsyoure-using-them-right-now）中得知这一点。 这意味着我们同时具有电场和磁场的振荡，并且彼此互为介质。这种组合被称为电磁辐射，也称为“光”。是的，无线电波只是光，而光*可以*在真空中自我传播——实际上，是以光速传播。 ## 一个压电式无线电台 好吧，让我们制造一个无线电波！对于发射器，你只需要一个烧烤打火机——你知道的，那种有长管子的打火机。当你按住扳机时，气体通过管子末端释放，并被一个小火花点燃。这是我切开的一个打火机： 图片可能包含 枪 武器 火器 和 手枪 照片：Rhett Allain 看到那个压电晶体了吗？这些东西太神奇了。当你敲击它们时，它们会瞬间变形，从而在极短的时间内产生高电压。所以打火机上的扳机有一个弹簧加载的锤子，它击打晶体，电压产生火花。 这对于烧烤来说很棒，但对于无线电来说，我们想要的是电压，而不是火花本身。来自晶体的电压产生一个电场，这个电场对空气中的自由电荷施加力。（空气中总有一些自由电荷在漂浮，比如电子和离子。）这些电荷加速并撞击空气分子，释放出更多自由电子，这些电子也加速并碰撞，以此类推，形成指数级的连锁反应。我们称之为电子雪崩。 猜猜会发生什么？加速的电荷会产生变化的电场——是的，这又会产生变化的磁场，等等，并且这个扰动作为电磁波向外辐射。哦，在这个过程中，空气中的氮原子和氧原子会被激发。当它们回落到较低能级时，会发出光。这就是可见的火花。 所以让我们实践一下。如果你有台AM收音机，试试这个：把它调到刻度盘上没有电台的地方。现在把打火机靠近天线并扣动扳机。你会通过扬声器听到一个清脆的小*咔哒*声。那是因为你在产生无线电波。很酷，对吧？那个打火机就是一个无线电发射器。现在我们只需要一个接收器。 ## 粉末检波器接收器 为了检测无线电波，我们将构建一个简单的电路。它由一个装有多个铝箔球的容器组成，连接到纽扣电池和一个LED上。它看起来是这样的： 照片：Rhett Allain 你需要一个非金属杯子（我用的是玻璃烧杯），这样电流就被迫流经铝箔，杯子边缘有一条箔片用来连接导线和球。哦，别忘了LED只有在一个方向上才能工作。大多数LED都有一根长线和一根短线。长线连接到电池的正极。 为什么要用铝箔球？嗯，铝是导体，但把它们揉成球意味着球之间的接触点非常小。这限制了电流的流动。此外，铝箔暴露在空气中时会形成一层氧化层，这也增加了电阻。 结果是，当你连接好所有东西时，起初没有足够的电流让LED亮起来。但请记住，我们的打火机会产生电磁波，当该波中的电场部分撞击到两个球之间的界面时，它会破坏氧化层并建立更好的连接。瞧！灯亮了，告诉我们检测到了无线电信号。 照片：Rhett Allain 这种类型的接收器被称为粉末检波器，它是真实存在的东西。事实上，这基本上就是马可尼在19世纪90年代神奇的无线电报中所用的，只不过他用的是镍和银的碎屑而不是铝箔球。当无线电波击中这些金属屑时，它们会聚集在一起（粉末检波），使电池中的电流流过并触发某种声音。 ## 无线电时代 当然，就像现有的电报线路一样，马可尼的系统只能通过摩尔斯电码传输文本消息，发送短脉冲（点）和长脉冲（划）的无线电波。但它可以覆盖很远的距离并跨越大洋。真实的故事：1912年，泰坦尼克号使用这个系统向另一艘船发出求救信号，最终挽救了700人的生命。 又过了一段时间，无线电系统才能够传输和接收连续信号以承载语音和音乐，直到真空管的发展，无线电才真正擅长于此，并在20世纪20年代成为现代客厅的核心。 尽管如此，想到用我们打火机这样的简单仪器就能轻松发送无线电信号，还是觉得很疯狂。如果你把它连接到天线上，你可以增加功率以广播到相当大的区域。这个系统只有一个问题：它只有一个频道。如果很多人同时试图通信——好吧，我们只能说这在手机时代是行不通的。